Bài viết nghiên cứu với mục tiêu cải thiện chất lượng làm việc của động cơ ở điều kiện khởi động lạnh, trong nghiên cứu này, một hệ thống sấy nóng môi chất nạp mới được thiết kế cho động cơ phun nhiên liệu điện tử sử dụng nhiên liệu ethanol.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG SINH HỌC Ở ĐIỀU KIỆN LẠNH A STUDY ON PERFORMANCE ENHANCEMENT OF SPARK IGNITION ENGINE FUELED WITH ETHANOLAT COLD CONDITION Bùi Văn Chinh2,*, Nguyễn Cẩm Vân1, Nguyễn Đức Khánh1, Hồng Văn Lợi2 TĨM TẮT Nhiên liệu xăng sinh học ethanol sử dụng phổ biến động đánh lửa cưỡng để thay nhiên liệu xăng truyền thống nhờ có tính chất tương đồng với nhiên liệu xăng Nhiên liệu ethanol có nhiệt ẩn cao nhiều so với xăng thông thường, 840kJ/kg ethanol 270kJ/kg xăng Do đó, sử dụng hồn tồn ethanol làm nhiên liệu cho động làm giảm nhiệt độ môi chất nạp, điều ảnh hưởng tới khả khởi động lạnh động chế độ khởi động lạnh điều kiện nhiệt độ mơi trường thấp Ngồi ra, nhiệt độ môi chất nạp thấp ảnh hưởng tớiđộ ổn định chế độ không tải động Với mục tiêu cải thiện chất lượng làm việc động điều kiện khởi động lạnh, nghiên cứu này, hệ thống sấy nóng mơi chất nạp thiết kế cho động phun nhiên liệu điện tử sử dụng nhiên liệu ethanol Kết nghiên cứu rằng, sử dụng hệ thống sấy nhằm tăng nhiệt độ hỗn hợp nạp mới, động khởi động cách dễ dàng chế độ khởi động lạnh hay nhiệt độ môi trường thấp Tốc độ động chế độ không tải lạnh cải thiện rõ rệt so với trường hợp khơng sử dụng hệ thống sấy Từ khóa: Xăng sinh học; hệ thống sấy điện; khởi động lạnh ABSTRACT Bio-ethanol fuel has been used widely in spark ignition engines because it owns similar properties as gasoline fuel Ethanol fuel is characterized by higher heat of vaporization value in comparison with conventional gasoline fuel, 840kJ/kg for ethanol and 270kJ/kg for gasoline As a result, when using pure ethanol as fuel for engines, these properties contribute to the lower temperature of intake mixture then effect engine operating, especially at cold starting and low embient temperature condition In addition, low temperature of mixture will contribute to an affect onthe stability ofidling condition In oder to improve the performance of the engine fueled with pure ethanol at cold starting and low ambient temperature condition, an electric heating system had been designed for a port fuel injection engine The studyresults show that, with the heating system, the test engine could be started easily at cold start and low embient temperature conditons In addition, cold idling speed of the test engine is more stable than that of the original engine Keywords: Bio-ethanol, electric heating system, cold starting condition Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email:chinhbv@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 02/12/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/01/2021 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 GIỚI THIỆU Trong vài năm gần đây, nhiên liệu sinh học coi giải pháp hiệu áp dụng phương tiện giao thông sử dụng động đốt Nhiều nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay cho nhiên liệu hóa thạch triển khai Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt nhiên liệu xăng sinh học ethanol động đốt nhiều nhà khoa học giới thực Những nghiên cứu thu kết khả quan làm tảng cho việc phát triển rộng rãi nhiên liệu sinh học ethanol nói riêng lượng thay nói chung [1-4] Các nghiên cứu giới [5-7], rằng, nhiên liệu ethanol có nhiệt trị thấp nhiều so với xăng thơng thường, cụ thể 44MJ/kg xăng thông thường 26MJ/kg nhiên liệu ethanol Chỉ số ốc tan nhiên liệu ethanol lại cao nhiều so với loại nhiên liệu xăng thơng thường, động sử dụng ethanol làm việc tỷ số nén cao so với xăng Nhiên liệu ethanol có nhiệt hóa cao xăng, 840kJ/kg ethanol 270kJ/kg xăng, nên làm giảm nhiệt độ môi chất nạp ảnh hưởng tới trình cháy động Áp suất bão hòa nhiên liệu ethanol thấp so với nhiên liệu xăng, điều ảnh hưởng lớn tới khả khởi động lạnh độ ổn định chế độ không tải động [8] Một số nghiên cứu khác [912] tăng dần tỷ lệ ethanol hỗn hợp nhiên liệu sinh học làm giảm thiểu số thành phần phát thải độc hại CO, HC NOx Các nhà khoa học nước tiến hành nghiên cứu sử dụng nhiên liệu xăng sinh học động đốt đánh giá ảnh hưởng ethanol tới tính kỹ thuật, phát thải độc hại chất lượng chi tiết hệ thống nhiên liệu [13, 14] Kết nghiên cứu rằng, động làm việc ổn định với tỷ lệ nhỏ ethanol hỗn hợp nhiên liệu mà không cần phải thay đổi kết cấu động Tuy nhiên, với tỷ lệ ethanol lớn sử dụng hồn tồn nhiên liệu ethanol phải thay đổi kết cấu hệ thống nhiên liệu Động sử dụng hồn tồn nhiên liệu ethanol hoạt động tương đối tốt chế độ ổn định sau động đạt 54 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nhiệt độ làm việc Tuy nhiên, chế độ chuyển tiếp nhiệt độ động thấp tính kỹ thuật động bị ảnh hưởng nhiều tính chất đặc trưng nhiên liệu ethanol nhiện hóa cao hay áp suất bão hòa thấp so với nhiên liệu xăng thông thường Nguyễn Đức Khánh cộng cải tạo động xe máy hệ cũ sang sử dụng xăng sinh học [15], nhiên, khả khởi động lạnh không tải lạnh động chưa đảm bảo yêu cầu ảnh hưởng nhiệt hóa áp suất bão hịa ethanol Trong nghiên cứu tiếp theo, mức độ hoạt động ổn định động cải thiện cách tận dụng nhiệt khí thải [16] Nguyễn Cẩm Vân cộng [17] thực nghiên cứu cải thiện khả khởi động lạnh chạy không tải động chế hịa khí sử dụng 100% ethanol cách trang bị hệ thống sấy nóng khí nạp Kết cho thấy, với trợ giúp hệ thống sấy, động khởi động dễ dàng với nhiên liệu ethanol, tốc độ không tải ổn định so với trường hợp không sử dụng hệ thống sấy Hệ thống sấy khơng khí nạp thiết kế bao gồm trao đổi nhiệt dây sấy khí nạp điều khiển trì nhiệt độ theo chế độ thử nghiệm nhờ mạch điều khiển sấy Mạch điều khiển sấy bao gồm mô đun rơ le, cảm biến nhiệt độ vi xử lý, cho phép người dùng điều chỉnh nhiệt độ khí nạp thơng qua thời gian sấy q trình thí nghiệm Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sấy thể hình Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện khả khởi động lạnh hoạt động điều kiện nhiệt độ môi trường thấp động xe máy phun điện tử sử dụng nhiên liệu ethanol cách sấy nóng đường nạp nhờ lượng điện từ ắc quy Kết cho thấy sấy nóng khí nạp mới, tính kỹ thuật động cải thiện Cụ thể khả khởi động lạnh điều kiện nhiệt độ thấp cải thiện rõ rệt Tốc độ không tải lạnh ổn định nhiều so với trường hợp khơng có hệ thống sấy a) NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống sấy nóng khí nạp Sơ đồ ngun lý hệ thống sấy khí nạp thể trênhình Để sấy nóng khơng khí nạp trước khởi động, dây sấyđược bố trí đường ống nạp, sau lọc gió trước bướm ga Dây sấy cấp điện điều khiển để truyền nhiệt cho khí nạp đạt nhiệt độ mong muốn Bố trí dây sấy phía trước bướm ga phương án thuận lợi nhất, đảm bảo q trìnhcải tạo lắp đặt khơng phải thay đổi nhiều kết cấu động b) Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sấy (a) mạch điều khiển (b) Để đạt nhiệt độ cần thiết đảm bảo khả hòa trộn nhiên liệu khơng khí nạp, nhiệt độ khí nạp cần gia tăng đạt đến giá trị cần thiết khoảng thời gian ngắn với tiêu hao điện nhỏ Phương trình truyền tải cơng suất thể phương trình [18,19]: Pdτ = m c d + K F (T − T ) (1) Từ phương trình truyền tải cơng suất, nhóm tác giả đưa phương trình nung nóng: τ Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống sấy khơng khí nạp Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn τ T = T e + T −e (2) Trong đó: K - hệ số truyền nhiệt từ vật nung vào môi trường xung quanh; F (m2) - diện tích bề mặt truyền nhiệt vật nung nóng; m (kg) - khối lượng vật nung nóng; c(J/kg.C) - tỷ nhiệt vật nung nóng; T (℃) - nhiệt độ thời điểm τ; T (℃) - nhiệt độ ban đầu; T (℃)- nhiệt độ ổn định, T = T ; t (s) - số thời gian nung nóng, t= αđ Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 55 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Từ phương trình (2) xác định thời gian nung nóng theo phương trình 3: τ = t ln đ (s) (3) Như vậy, tốc độ nung nóng phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt đối lưu đ diện tích bề mặt truyền nhiệt F 2.2 Đối tượng thử nghiệm Đối tượng thử nghiệm động xe máy nhãn hiệu Piaggio cải tiến hệ thống nhiên liệu đánh lửa nhằm thay đổi thông số phù hợp với nhiên liệu xăng sinh học ethanol E100 Ngoài ra, cảm biến động tốc độ, vị trí bướm ga, nhiệt độ động cơ… kết nối với thiết bị thu thập hiển thị giao diện máy tính, thuận tiện cho việc nghiên cứu thử nghiệm Thông số kỹ thuật động thử nghiệm trình bày bảng Nhiên liệu thí nghiệm ethanol với độ tinh khiết lên tới 99,5% Bảng so sánh tính chất nhiên liệu xăng ethanol Hệ thống sấy lắp đặt động thí nghiệm thể hình Bảng Thơng số kỹ thuật động thử nghiệm Nhãn hiệu Năm sản xuất Kiểu động Hệ thống nhiên liệu Dung tích xy lanh Công suất cực đại Mô men cực đại Tỷ số nén Tốc độ không tải Piaggio 2010 xylanh, đánh lửa điện tử Phun xăng điện tử 96,21cm3 4,2kW/6750 v/ph 6,92 Nm/6000 v/ph 10,5:1 1200±150 vòng/phút 2.3 Điều kiện thử nghiệm Quá trình thử nghiệm lựa chọn thời điểm có nhiệt độ mơi trường thấp năm Thông thường, điều kiện thời tiết miền Bắc, tháng 12 tháng 1có nhiệt độ thấp năm, vào khoảng 11,6C đến 28,4C Nhiệt độ môi trường thời điểm thực thí nghiệm lựa chọn dao động khoảng 15C, 17C 20C Trên thực tế, nhiệt độ mơi trường thí nghiệm dao động ±1C xung quanh giá trị chọn 2.4 Thiết bị thử nghiệm Hệ thống hỗ trợ khởi động lạnh trang bị đo xuất thơng số tốc độ động nhiệt độ khí nạp khoang sấy Để thực việc đo đạc đánh giá ảnh hưởng việc sấy nóng khí nạp tới tính vận hành động cơ, q trình thí nghiệm thực mơ hình động phun nhiên liệu điện tử Các thông số làm việc động góc đánh lửa hay thời gian phun điều chỉnh phù hợp với nhiên liệu ethanol Các thơng số cần thu thập nhiệt độ khí nạp, tốc độ tức thời động đo đạc lưu trữ để phân tích đánh giá Trong trình thử nghiệm, động điều khiển qua điều khiển động với giao diện điều khiển máy tính qua cơng cụ LabView thể hình 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thời gian sấy cần thiết Bảng So sánh thông số nhiên liệu xăng ethanol Thơng số Chỉ số ốc tan Nhiệt hóa (kJ/kg) Tỷ lệ C (% khối lượng) Tỷ lệ O (% khối lượng) Nhiệt trị thấp (MJ/kg) Hệ số A/F (kg) Áp suất bão hòa (kPa) Ethanol 108 840 52,2 34,7 26,8 8,96 15,1 Xăng 92 270 85 44 14,7 60,0 Hình Diễn biến nhiệt độ khí nạp điều kiện môi trường khác Hệ thống sấy tính tốn thiết kế phù hợp với động đáp ứng yêu cầu cần thiết Với công suất sấy khoảng 40W, sau 30 giây nhiệt độ môi trường tương đối thấp, nhiệt độ khí nạp nhanh chóng đạt 80C, nhiệt độ tương đương với điểm sôi đầu nhiên liệu ethanol Tại điều kiện nhiệt độ môi trường thử nghiệm chế độ hoạt động, nhiệt độ sấy nóng thay đổi nhằm tối ưu q trình bay nhiên liệu, cải thiện chất lượng hịa khí Công suất sấy không cao so với nguồn điện mà động sử dụng Kết thí nghiệm thể hình thay đổi nhiệt độ khí nạp động điều kiện môi trường khác 3.2 Ảnh hưởng hệ thống sấy đến khả khởi động lạnh Hình Hệ thống sấy lắp đặt động thử nghiệm Kết thử nghiệm đánh giá khả khởi động lạnh động điều kiện nhiệt độ mơi trường khác 56 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-96199 thể hình Trong trường ờng hợp khơng trang bị hệ thống sấy, động ể khởi động thành th công điều kiện ện nhiệt độ thấp sau khoảng đến lần khởi động Trong đó, sử dụng hệ thống sấy, động th khởi động thành cơng lần khởi động ênở điều kiện nhiệt độ mơi trường khác Điều ày lý giải nhờ hỗ trợ hệ thống sấy trước ớc thực khởi động lạnh, nhiệt độ khí nạp tăng cao nên ên q trình hình thành hịa khí tốt hơn, nhiên liệu ệu dễ dàng d bốc cháy giúp trình khởi động động dễ ễ dàng d điều kiện nhiệt độ môi trường thấp đánh giá ổn định chếế độ không tải Kết đánh giá mức ức độ dao động tốc độ động ccơ có khơng sử dụng hệ thống sấy trình ình bày hình Kết nghiên cứu cho o th thấy, không trang bị hệ thống sấy, động ẫn tr trì chế độ không tải, nhiên biên độ ộ dao động tốc độ lớn, khoảng 250v/ph, 200v/ph 150v/ph điều kiện nhiệt độ môi trường 15, 17 20oC Tuy nhiên, ssử dụng hệ thống sấy, biên độ ộ dao động tốc độ không tải động ccơ khoảng ảng 90 đến 120v/ph Để giữ cho động ho hoạt động chế độ không tải ải ổn định, hệ thống sấy phải đ hoạt động liên tục để gia nhiệt ệt cho khơng khí nạp nhiệt độ động ccơ đạt đến nhiệt độ cần thiết Hình So sánh khả khởi động lạnh ạnh điều kiện nhiệt độ môi trường khác 3.3 Ảnh hưởng ởng hệ thống sấy đến độ ổn định chế độ không tải lạnh Để đánh giá ảnh hưởng ởng hệ thống sấy đến ổn định động điều kiện không tải ải lạnh, tốc độ động lưu trữ ữ theo thời gian sau động c để Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình So sánh sựự thay đổi tốc độ khơng tải có vvà khơng sử dụng hệ thống sấy Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 57 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KẾT LUẬN Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao khả khởi động lạnh chạy không tải lạnh xe máy sử dụng nhiên liệu ethanol tiến hành Kết thí nghiệm cho thấy, hệ thống sấy cải thiện khả khởi động lạnh điều kiện nhiệt độ mơi trường thấp trì tốc độ không tải ổn định Hệ thống sấy điện thiết kế đơn giản chi phí thấp áp dụng cho xe máy sử dụng sử dụng nhiên liệu sinh học LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến hỗ trợ đề tài cấp trường “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều khiển động xăng xylanh phục vụ công tác đào tạo” mã số 05-2020RD/HĐ-ĐHCN để thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Iodice, A Senatore, 2015 The Air Pollution Emission Inventory Energy & Environment, 26(8), pp 1305-1318 [2] Duc Khanh Nguyen, Han Nguyen Tien, Vinh Nguyen Duy 2018 Performance Enhancement and Emission Reduction of Used Motorcycles Using Flexible Fuel Technology Journal of the Energy Institute 91 (1) Elsevier Ltd: 145– 152 doi:10.1016/j.joei.2016.09.004 [3] Duc, K.N., V.N Duy 2018 Study on Performance Enhancement and Emission Reduction of Used Fuel-Injected Motorcycles Using Bi-Fuel Gasoline-LPG Energy for Sustainable Development 43: 60–67 doi:https://doi.org/10.1016/ j.esd.2017.12.005 [4] K Nguyen Duc, V Nguyen Duy, L Hoang-Dinh, T Nguyen Viet, T LeAnh, 2019 Performance and emission characteristics of a port fuel injected, spark ignition engine fueled by compressed natural gas Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol 31, pp 383–389 [5] P Iodice, A Senatore, G Langella, A Amoresano, 2017 Advantages of ethanol–gasoline blends as fuel substitute for last generation Si engines Environmental Progress and Sustainable Energy, 36, 4, 1173-1179 [6] P Iodice, G Langella, A Amoresano, 2018 Ethanol in gasoline fuel blends: Effect on fuel consumption and engine out emissions of SI engines in cold operating conditions Applied Thermal Engineering, 130, 1081-1089, doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.11.090 [7] Iodice P., Senatore A., 2013 Influence of Ethanol-gasoline Blended Fuels on Cold Start Emissions of a Four-stroke Motorcycle Methodology and Results SAE Technical Paper 2013-24-0117, doi.org/10.4271/2013-24-0117 [8] Le Anh Tuan, et.al, 2017 Alternative fuels for internal combustion engine Bach khoa publishing house [9] Durbin Thomas D., J Wayne Miller, Theodore Younglove, Tao Huai, Kathalena Cocker, 2007 Effects of Fuel Ethanol Content and Volatility on Regulated and Unregulated Exhaust Emissions for the Latest Technology Gasoline Vehicles Environmental Science and Technology 41 (11): 4059–4064 doi:10.1021/ es061776o [10] Graham Lisa A., Sheri L Belisle, Cara Lynn Baas, 2008 Emissions from Light Duty Gasoline Vehicles Operating on Low Blend Ethanol Gasoline and E85.Atmospheric Environment 42 (19): 4498–4516 doi:10.1016/j.atmosenv 2008.01.061 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [11] Clairotte M., T W Adam, A A Zardini, U Manfredi, G Martini, A Krasenbrink, A Vicet, E Tournié, C Astorga, 2013 Effects of Low Temperature on the Cold Start Gaseous Emissions from Light Duty Vehicles Fuelled by EthanolBlended Gasoline Applied Energy doi:10.1016/j.apenergy.2012.08.010 [12] Schifter I., U González, L Díaz, R Rodríguez, I Mejía-Centeno, C González-Macías, 2018 From Actual Ethanol Contents in Gasoline to Mid-Blends and E-85 in Conventional Technology Vehicles Emission Control Issues and Consequences Fuel 219 (January) Elsevier: 239–247 doi:10.1016/j.fuel 2018.01.118 [13] Le Anh Tuan, Pham Minh Tuan, 2009 Impacts of Gasohol E5 and E10 on Performance and Exhaust Emissions of In-used Motorcycle and Car: A Case Study in Vietnam Journal of Science and Technology, Vietnamese Technical Universities, http://www.vjol.info/index.php/DHBK/article/view/11093 [14] Pham Huu Tuyen, Le Anh Tuan, Nguyen Duy Vinh, Pham Van Doan, 2012 Durability Testing for Motorcycle Engines Fueled with E10.The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels (ICAEF2012), Ho Chi Minh City, Vietnam, 12/2012 [15] Duc Khanh Nguyen, Han Nguyen Tien, Vinh Nguyen Duy, 2018 Performance Enhancement and Emission Reduction of Used Motorcycles Using Flexible Fuel Technology Journal of the Energy Institute 91 (1) Elsevier Ltd: 145– 152 doi:10.1016/j.joei.2016.09.004 [16] Duy V N., Duc K N., Cong D N., Xa H N., Le Anh T., 2019 Experimental study on improving performance and emission characteristics of used motorcycle fueled with ethanol by exhaust gas heating transfer system Energy for Sustainable Development, 51, 56–62 doi:10.1016/j.esd.2019.05.006 [17] Nguyễn Cẩm Vân, Phạm Văn Đoàn, 2020 Nghiên cứu cải thiện khả khởi động không tải lạnh động sử dụng nhiên liệu xăng sinh học Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, tập 56 - chuyên đề tháng 11/2020, 55-58 [18] DeWitt I., 1981 Fundamentals of Heat Transfer New York: John Wiley & Sons, Inc [19] Hegbom T., 1997 Integrating Electrical Heating Elements in Appliance Design New York, New York: Marcel Dekker 58 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) AUTHORS INFORMATION Bui Van Chinh2, Nguyen Cam Van1, Nguyen Duc Khanh1, Hoang Van Loi2 School of Transportation Engineering , Hanoi University of Science and Technology Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... Cẩm Vân, Phạm Văn Đoàn, 2020 Nghiên cứu cải thiện khả khởi động không tải lạnh động sử dụng nhiên liệu xăng sinh học Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, tập 56 -... thống sấy, động ể khởi động thành th công điều kiện ện nhiệt độ thấp sau khoảng đến lần khởi động Trong đó, sử dụng hệ thống sấy, động th khởi động thành công lần khởi động ênở điều kiện nhiệt... với nhiên liệu xăng thông thường Nguyễn Đức Khánh cộng cải tạo động xe máy hệ cũ sang sử dụng xăng sinh học [15], nhiên, khả khởi động lạnh không tải lạnh động chưa đảm bảo yêu cầu ảnh hưởng nhiệt